白皮书 保护 FPGA 设计不受常见的入侵威胁.pdf

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1、白皮书保护FPGA设计不受常见的入侵威胁随着盗版和IP剽窃的增多，人们越来越关心设计和IP安全。对于FPGA，这需要保护比特流和器件的配置。CycloneIIILSFPGA在低功耗平台上实现了安全特性，帮助设计人员满足了约束要求，确信发售IP得到了保护的产品。引言2009年，全球由于盗版带来的损失大约为1.5万亿美元。盗版影响了所有商业市场，从Gucci手包到计算机芯片，直至专用算法等。全球供应链越来越复杂，对企业知识产权(IP)的剽窃也日益增多。全球供应链的安全和保护问题是保持竞争优势的关键，需要认真对待

2、。盗版的第一步是篡改，采用各种强制手段来获得系统设计。以前，篡改是针对军用设备的；然而，由于电子行业的盗版，篡改成为所有生产商都必须面对的关键问题。防篡改的目的是探测到对技术的逆向剖析，通过剖析可以转移技术，改变系统功能，开发对策等。政府和企业投入了大量的资金来开发关键网络基础设施、复杂的武器系统以及安全银行系统等。然而，很容易破坏易于篡改的系统，导致丧失竞争优势，利润下滑，品牌知名度下降。盗版丰厚的利润带来了对电子产品的觊觎。因此，产品日益重要含有防篡改功能。防篡改解决方案主要涉及到以下四个方面：■阻止篡

3、改是指具有特殊功能，能够阻止篡改入侵。■篡改探测能够提醒系统或者用户出现篡改事件。■篡改响应是在探测到篡改后，系统必须采取一定的对策。■篡改证据必须是可查的，这样，监察系统的授权人员能够确定系统是否被篡改。表1总结了防篡改的主要组成功能，简要介绍了Altera®解决方案。表1.防篡改组成功能和Altera解决方案防篡改组成说明AlteraCycloneIIILS解决方案篡改阻止特殊功能加密密钥JTAG端口保护篡改探测觉察可编程失败循环冗余校验(CRC)篡改响应对策所有配置存储器归零篡改证据明显的证据多次未成

4、功编程对ASIC的威胁ASIC市场通常采取一定的措施以应对篡改的威胁，例如，破坏性分析、过压或者欠压分析以及时序分析等。使用破坏性分析方法对ASIC逆向剖析时，采集器件的每一层来确定其功能。这一处理过程需要昂贵的设备和专业知识，ASIC实际上有很少的保护措施来防止这类行为。时序分析和过压欠压分析不需要昂贵的设备，但是非常费力，容易出错，因此，不常用于对复杂的ASIC设计进行逆向剖析。而且，ASIC时序分析是确定性的，因此，信号通过复用器的时间决定了输入到输出的时间。一旦逆向剖析成功，ASIC中的IP就能够不

5、受限制的用在很多盗版系统中。倒卖设备会有很高的利润，全球盗版电子设备，特别是盗版网络设备越来越多。盗版是生产产品相对便宜的方法，利润很高。这些因素WP-01111-1.02009年6月，1.0版1保护FPGA设计不受常见的入侵威胁Altera公司吸引了很多人对电子设备进行IP盗取。然而，对于原始设备生产商(OEM)，盗版系统却使得自身收益下降，利润降低，威胁到品牌形象。对FPGA的威胁FPGA具有可编程和不会过时等优点，在工业市场上得到了越来越广泛的应用。军用市场采用比较特殊的商用(COTS)产品，使得FP

6、GA成为同时实现COTS和定制产品的最好选择。网上银行系统需要多层安全防护措施，从闭锁门户到服务器锁定等，因此，银行要求底层有安全措施，使系统从根本上具备安全特性。所有市场关心的是盗取和黑市/盗版产品的泛滥。虽然FPGA不像ASIC那样容易被逆向剖析，但是，却易于遭受其他威胁。FPGA可编程体系结构是对设计逆向剖析、直接进行篡改的内在保护屏障。由于其易失特性，拆解和剖析管芯只能得到空白的FPGA体系结构。然而，一类不同的篡改活动会影响FPGA，例如在配置过程中复制和克隆比特流，通过JTAG来控制设计，启动单

7、事件干扰(SEU)来改变设计功能等。配置威胁可编程能力给设计人员带来了好处，但是由于需要采用外部器件进行配置，因此，这也带来了问题。整个设计必须存储在FPGA外部系统存储器中，上电时，从存储器传送至FPGA。关心IP保护的设计人员可以将用于配置的走线嵌到PCB层中，但是在复杂PCB设计中，这产生了其他问题。因此，很少有解决方案能够保护FPGA设计在配置过程中不被复制。加密解决方案Altera的Cyclone®IIILSFPGA使用易失密钥，提供256位AES加密引擎，在配置期间保护比特流。因此，即使检测到比

8、特流，也需要密钥才能逆向剖析设计。CycloneIIILSFPGA中特殊的密钥方法不允许读回密钥，因此，编程完成后，密钥可以安全的存放在FPGA中。由于密钥是易失的，任何破坏性分析都会导致密钥的永久丢失。此外，Altera还采取了多种措施来保护加密密钥的完整性。■密钥存储在金属层下面，以防止物理攻击。■在将密钥存放到FPGA存储器之前，对其进行加扰处理。■密钥比特分布在其他逻辑之间。■如果探测到篡改事件，可以通过